L’eau’gique #15 : Les préceptes de Mr Bean au service d’un nouveau paradigme pour les sciences hydrologiques

Dans le dernier numéro de « L’eau’gique », je reprenais une partie de l’analyse de Sivapalan (2018) décrivant les deux grandes approches historiques employées pour étudier l’hydrologie des bassins versants. La première, l’approche newtonienne, cherche à représenter au maximum l’hétérogénéité des paysages et utilise la physique la plus rigoureuse pour décrire les processus d’écoulement, mais elle se noie dans une infernale technicité et une épouvantable complexité qui la rendent impropre à l’identification des facteurs contrôlant les principales signatures hydrologiques. A l’opposé, l’approche fonctionnelle simplifie la conceptualisation d’un bassin en le découpant en plusieurs ensembles, chacun représentant une « fonction » du système (partitionnement de surface, écoulement rapide de surface, écoulement lent souterrain, etc…) via une physique moins réaliste, mais plus pratique à manipuler pour comprendre les mécanismes à l’œuvre dans la genèse des réponses hydrologiques observées.

Toutefois, ces deux approches (et leurs intermédiaires) ont mené l’hydrologie à une impasse, provenant du fait que les atouts de la première sont les pires inconvénients de la seconde, et vice versa. En somme, nous ne pouvons pas relier complètement et universellement les caractéristiques hydrologiques observées à leur cause physique. Cela signifie concrètement que si le système physique vient à être modifié (par exemple, déforestation, urbanisation, changement de système ou de pratiques agricoles et/ou industrielles, construction ou destruction d’aménagements hydrauliques, etc.), il sera extrêmement difficile de prédire quantitativement la réponse hydrologique avec suffisamment de précision et de confiance. A l’inverse, il peut devenir difficile de comprendre une observation atypique et de lui attribuer une cause certaine dans la plupart des cas.

L’illustration la plus criante de cette impasse, qui a été observée maintes fois partout dans le monde et quelque soit le contexte hydroclimatique, est la pauvreté de nos capacités prédictives dès qu’un événement hydrologique « hors du commun » pointe son nez, ou dès qu’un changement abrupte intervient sur l’hydrosystème (cela se sait mais peu documenté dans la littérature car tout ce qui est un « échec » du processus de modélisation est considéré à tort comme inutile, voir K.J. Beven, 2018). C’est franchement ballot dans un monde qui subit de multiples transformations (climatiques, biologiques, anthropiques…). C’est dommage dans un monde déjà incertain, de ne pas avoir un minimum d’assurance dans la connaissance des fondamentaux qui puisse garantir une gestion résiliente des ressources d’un territoire, face à des chocs d’origines diverses. Je ne veux évidemment pas éluder ou faire fi des innombrables avancées en hydrologie, ni noircir immodérément le tableau. Il s’agit simplement de montrer qu’un changement de paradigme s’impose, car l’explosion des données accessibles montrent les failles de nos approches historiques. Avec plus de données, il devient de plus en plus difficile de trouver des concepts et des modèles cohérents qui expliquent toutes les observations de façon satisfaisante. De manière complémentaire, l’impasse s’illustre parfaitement dans le fait que la plupart des grandes questions scientifiques en hydrologie était, en 2019, peu ou prou les mêmes qu’aux débuts de la discipline… (Blöschl et al., 2019).

Comment s’extraire de l’impasse ?

La première des choses à faire, c’est d’opter pour un changement de regard global sur les systèmes hydrologiques. Un hydrosystème n’est pas un grand réceptacle des eaux météoriques, vaste bassine inerte et stationnaire. Il s’agit plutôt d’une entité terrestre complexe, siège de nombreux processus physiques, chimiques, biologiques et sociologiques en constante interaction, et ce sur de très larges échelles spatiales, et surtout, temporelles. Dans sa forme naturelle, un bassin versant est le fruit d’une intense et continuelle friction entre la machine climatique et la machine géologique. Il en résulte alors une curieuse interface qui forme le support à la vie continentale. C’est là que l’eau est stockée, qu’elle s’écoule, qu’elle réagit avec les organismes vivants et la matière, qu’elle est puisée par les plantes. Cette frange, parfois nommée « zone critique », se trouve dans un état d’équilibre métastable, et tend vers un nouvel état à chaque variation de contrainte climatique ou géologique. A cette perpétuelle transformation naturelle, qui influence donc l’évolution des propriétés physiques d’un hydrosystème, il faut désormais ajouter la contrainte exercée par les activités humaines, à la fois sur le milieu et sur le climat.

Tout cela nous fait donc basculer d’une vision de système figé, à une vision d’éco-hydrosystème, puis à une vision de socio-éco-hydrosystème… bref, appelons un chat un chat, il s’agit tout simplement d’un système terrestre (ou géosystème). Cela revient à dissoudre l’hydrologie dans les géosciences, soit l’inverse de ce qui a été fait il y a 50 ans, avec toutefois une association supplémentaire : celle des sciences économiques, politiques et sociales.

Alors qu’elle va mécaniquement augmenter la complexité d’un problème déjà amplement complexe, cette nouvelle vision s’accompagne d’un changement d’approche pour l’étude du cycle de l’eau au sein de ces géosystèmes. Rappelons encore une fois ce dont nous avons besoin : nous voulons savoir comment ces systèmes stockent et relâchent de l’eau, dans quelles proportions, à quels endroits et à quelles échelles de temps ; nous souhaitons savoir comment ses différentes composantes interagissent et mutent dans le temps, ainsi que les effets que leurs co-évolutions produisent sur la qualité de l’eau, sur l’état des écosystèmes aquatiques et terrestres, et sur les activités humaines ; puis, nous voulons connaître la capacité de chaque composante à « encaisser » un changement brusque ou graduel survenant sur une ou plusieurs autres composantes. Enfin, on cherche à replacer les systèmes étudiés dans leur contexte planétaire, afin d’identifier, quantifier, et suivre les limites soutenables des changements de régimes hydrologiques pour les écosystèmes et les humains (Gleeson et al. 2020). En définitive, sortir de l’impasse revient à adopter une vision plus transversale et plus complète du problème, tout en le reformulant conformément aux enjeux actuels, qui se situent plus que jamais autour des questions de risques systémiques et de résilience.

Il est donc clair qu’une mobilisation très large et très interdisciplinaire autour de cette refonte du problème est nécessaire comme le soulignent Gleeson et al. 2020. Le chemin qu’il faudrait désormais prendre, n’est pas celui qui se focalise sur la prédiction des phénomènes, mais sur leur compréhension. Il s’agit de renouer avec l’approche naturaliste des sciences, celle de l’observation, de l’analyse comparée et de la formulation de lois universelles émergeant de la complexité apparente, à tester à l’épreuve des données maintenant très nombreuses. Il ne sert plus à rien de courir après le rêve d’une représentation exhaustive de tous les processus physiques, chimiques, biologiques et sociologiques qui ont cours aux seins des géosystèmes. Au contraire, il faut se concentrer, pour chaque problématique spécifique, sur les principaux mécanismes à l’œuvre derrière les phénomènes observés et la manière dont toutes les composantes du système interagissent dans le temps et l’espace. Et à l’inverse des approches classiques employées encore aujourd’hui, il faut partir de l’exploration des données avant même de chercher à proposer un modèle conceptuel (ou physique) pour décrire le fonctionnement des systèmes. Partons des observations, regardons les données, « écoutons » ce qu’elles ont à nous raconter, au lieu de systématiquement les utiliser comme de simples contraintes pour les modèles, de simples garde-fous. En somme, nous serions bien avisés de faire comme Mr Bean, dont le métier est de « s’asseoir dans un coin, et contempler les peintures » :

Mais alors, comment contemple-t-on efficacement les observations ? Qu’est-ce que ce changement de paradigme signifie concrètement pour l’hydrologie appliquée ? Nous nous intéresserons à ces questions très prochainement !

Références

Beven, K.J., 2018. On hypothesis testing in hydrology: Why falsification of models is still a really good idea. Wiley Interdiscip. Rev. Water 5, e1278. https://doi.org/10.1002/wat2.1278

Blöschl, G., Bierkens, M.F.P., Chambel, A., Cudennec, C., et al., 2019. Twenty-three unsolved problems in hydrology (UPH)–a community perspective. Hydrol. Sci. J. 64, 1141–1158. https://doi.org/10.1080/02626667.2019.1620507

Gleeson, T., Wang-Erlandsson, L., Porkka, M., Zipper, et al., 2020. Illuminating water cycle modifications and Earth system resilience in the Anthropocene. Water Resour. Res. 56, 1–24. https://doi.org/10.1029/2019WR024957

Sivapalan, M., 2018. From engineering hydrology to Earth system science: Milestones in the transformation of hydrologic science. Hydrol. Earth Syst. Sci. 22, 1665–1693. https://doi.org/10.5194/hess-22-1665-2018

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